CN105244957B - 用于快速充电电池组的充放电均衡设备及相应均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于快速充电电池组的充放电均衡设备及相应方法。本发明的充放电均衡管理设备包括：均衡电源模块、均衡总线、均衡电阻、继电器组、保护电路。通过节点继电器组将需要均衡的电池接入均衡总线。通过均衡总线，在放电时为电池单体充电，在充电时为电池单体放电，以达到电量均衡。本发明的电池组均衡设备在对电池组进行充电时，只需要采用一个均衡电阻，而现有技术中的均衡设备均需要为每节电池配备相应的均衡电阻。因此，相比之下，本发明的设备节约了空间，可以选择较小的电阻来更快的均衡，而且发热电阻远离采样芯片，不影响采样。此外，本发明的电池组均衡设备可以增加整个电池组放出的电量。因此，可以实现对电池组的更高效利用。

Description

用于快速充电电池组的充放电均衡设备及相应均衡方法

技术领域

本发明涉及电气控制领域，具体涉及一种用于对电动车的电池组进行充放电均衡的设备及相应均衡方法。

背景技术

随着人们环境意识的不断提高，电动车越来越受到人们的青睐。电动车发展的主要瓶颈在于电池，而锂电池则是现阶段电动车的主要发展方向。

由于锂电池在使用过程中往往是以电池组的形式存在，不同锂电池会产生性能上的差异，进而导致性能较差的电池单体在充电时比其他电池单体更早的到达最大电压值，同时在放电时比其他电池单体更早的到达最低电压值。现有电池管理系统(BMS)多采用在充电时为过高的单体电池放电的方式来确保其他电池单体能充入更多的电荷，这种方式往往通过电池节点处的电阻或MOSFET进行放电，会影响电压数据的采集，并且在放电时无法起到作用。

图1所示为目前常用的一种方式电池组均衡方式，其通过多路采样芯片的耦合电阻，利用采集芯片内置的开关功能，在充电时对电压最高的电池单体进行放电，以达到均衡目的。

但是这种电池组均衡方式具有这样的缺点：1、功率损耗过大，发热点距离采集芯片较近，会影响电压采样；2、放电时无法起作用；3、比较耗时，在充电速度比较快时无法起到作用。

另一种实现电池均衡的方案是通过多路耦合线圈进行，通过线圈将最高电压单体的能量转移到最低电压单体。但是这种方案具有如下缺点：1、能量转移率太低；2、能量转移的速度太慢。

因此，现有的用于对电池组进行均衡的方式均存在其自身的问题，无法实现对电池组的最高效利用。

发明内容

针对上述问题，本发明希望提供一种能够在放电时使所有电池尽可能释放电量，在充电时实现电池组最佳充电状况的电池组均衡设备及相应方法。

具体而言，本发明提供了一种用于电池组的充放电均衡设备，其特征在于，所述充放电均衡管理设备包括：均衡电源模块、均衡总线、均衡电阻、继电器组、保护电路。

在一种优选实现方式中，所述电池组为串联电池组，所述串联电池组的总正、负极分别连接到所述均衡电源模块的两个输入端；

所述均衡总线包括第一均衡总线和第二均衡总线；

所述继电器组包括节点继电器和奇偶继电器，所述电池组中每节电池的两端各连接一个节点继电器，任意相邻的两节电池之间共用一个节点继电器，奇数的节点继电器连接至第一均衡总线，偶数的节点继电器连接至第二均衡总线；

所述均衡电源模块的正、负输出端分别连接所述奇偶继电器的两个固定端，所述奇偶继电器的两个活动端可以顺序与所述第一均衡总线、所述第二均衡总线相连，或者顺序与所述第二均衡总线、第一均衡总线相连；

所述第一均衡总线和所述第二均衡总线之间还连接有所述均衡电阻，所述均衡电阻与所述第一或第二均衡总线之间设置有放电均衡开关；

所述均衡电源与所述电池组的总正负极之间设置有充电均衡开关；

所述保护电路分别连接所述奇偶继电器的两个固定端，并且基于所述奇偶继电器的两个固定端的电压控制所述充电均衡开关的开闭。

在另一种优选实现方式中，所述保护电路用于为所述均衡总线提供反馈，以判定被均衡电池是否正确接入均衡总线。

在另一种优选实现方式中，所述保护电路包括：第一运算放大器和第二运算放大器。

在另一种优选实现方式中，所述充放电均衡设备将所述保护电路的输出与预定阈值进行比较，以判断所述被均衡电池是否正确接入均衡总线。

在另一种优选实现方式中，所述充放电均衡设备包括最差电池识别模块，所述最差电池识别模块基于每节电池上的电压或变压变化判断所述电池组中的最差电池。

另一方面，本发明提供一种利用所述的充放电均衡设备进行电池组充放电均衡的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)识别所述电池组中的最差电池单体或接收最差电池单体的信息；

(2)将所述最差电池单体接入均衡总线；

(3)利用所述保护电路判断所述最差电池单体是否正确接入均衡总线；

(4)如果所述最差电池单体没有正确接入均衡总线，则停止对所述电池组进行均衡控制并发出报警；

(5)如果所述最差电池单体正确接入均衡总线，则判断当前所述电池组是在进行充电操作还是进行放电操作；

(6)如果所述电池组进行充电操作，则将所述最差电池单体经所述均衡总线连接至所述放电电阻；

(7)如果所述电池组进行放点操作，则将所述最差电池单体经所述均衡总线连接至所述均衡电源。

有益效果

本发明的电池组均衡设备及相应方法在对电池组进行充电时，只需要采用一个均衡电阻，而现有技术中的均衡设备均需要为每节电池配备相应的均衡电阻。因此，相比之下，本发明的设备节约了空间，可以选择较小的电阻来更快的均衡，而且发热电阻远离采样芯片，不影响采样。

本发明的电池组均衡设备在对电池组进行放电时，进行放电均衡使放电时最小容量单体可以放电的时间加长，增加整个电池组放出的电量。

另外，本发明在进行充放电均衡时，增加了均衡安全保护电路，使整个控制过程更加可靠，并且不会对均衡电源造成损害。

附图说明

图1为现有技术中所采用的一种均衡电路的结构示意图；

图2为本发明所采用的均衡设备的结构示意图；

图3为本发明所采用的均衡设备的电路的原理示意图；

图4为本发明一个实施例中所采用的保护电路的电路示意图；

图5为本发明的均衡方法的简化路程图。

具体实施方式

本发明均衡设备的结构示意图如图2所示。如图所示，本发明的用于电池组的均衡设备包括均衡继电器组、均衡总线、均衡电源模块、均衡电阻、保护电路。

在本实施例中，电池组包括电池1、2、3、4，电池组中所包含的每节电池彼此串联，电池组串联后的总正负极连接到均衡电源模块(图中为了使线路简洁，并未画出这部分连接线路)。本领域技术人员理解，电池组中电池的数目是可以任意增减的，本发明为了便于技术人员理解，仅画出了四节电池。

均衡继电器组包括节点继电器7、8、9、10以及奇偶继电器13，奇偶继电器的两个固定端分别连接至均衡电源的正极和负极，奇偶继电器的活动端可以与端子A侧的两个接线端搭接，也可以与端子B侧的两个接线端搭接。当奇偶继电器的活动端与端子A侧的两个接线端搭接时，第一均衡总线11连接至均衡电源的负极，第二均衡总线12连接至均衡电源的正极；反之，当奇偶继电器的活动端与端子B侧的两个接线端搭接时，第一均衡总线11连接至均衡电源的正极，第二均衡总线12连接至均衡电源的负极。

这里所提到的均衡电源主要用于连接至电池组的正负极，并对电池组的输出进行稳压、控制等处理。均衡电源与电池组正极之间通过充电均衡开关6相连接，并且充电均衡开关受保护电路的反馈控制。

第一均衡总线11和第二均衡总线12之间还连接有放电电阻和放电控制开关5，用于在对电池组充电时，对最差的电池单体(或者可以说是充电电压迅速上升的电池单体)进行放电。

电池1、2、3、4中任意相邻的两节电池之间连接一个节点继电器(电池最前端和最后端也可以具有节点继电器)，奇数的节点继电器连接至第一根均衡总线，偶数的节点继电器连接至第二根均衡总线。相邻的节点继电器吸合后会将相应电池接入奇偶继电器两端。电池均衡设备的控制器能够根据当前吸合的节点继电器编号驱动奇偶继电器，以选择吸合方向，确保均衡总线上的正负极不会与均衡电源的正负极不匹配。

本实施例的均衡设备可以对最差电池单体进行均衡控制。比如，如果检测出电池2是本发明所认为的最差单体电池，则在充放电时所采用的均衡流程如下：

(1)充电时：

1、继电器6断开，均衡电源不工作，奇偶继电器向任意方向吸合。

2、将电压最高的电池单体，(本实施例中为电池2)，两端的节点继电器7和8吸合。

3、继电器5吸合，通过放电电阻对电压最高的电池单体2放电。

(2)放电时：

1、继电器5断开，放电电阻不工作。

2、将电压最低的电池单体两端的节点继电器吸合，例如，当前电池2电压最低，则吸合继电器7、8。

3、通过判断当前准备均衡的电池编号的奇偶决定奇偶继电器的吸合方向，例如，如果当前均衡电池2，吸合继电器7、8，与继电器7相连的总线为正、另一条总线为负，则奇偶继电器向A方向吸合；如果当前均衡电池3，吸合继电器8、9，则与继电器8相连的总线为正、另一条为负，奇偶继电器向B方向吸合。

4、继电器6吸合，电池组总输出通过均衡电源对电压最低的电池单体充电。

此外，本发明通过一组运放电路来确定接入均衡总线的电压是否正确。此方案可以提高总线制均衡方式的可靠性，避免将错误的正负极接入均衡电源。

如图4所示为本发明所采用的保护电路。KA、KB为该电路的输入端，分别连接至均衡电源的输出端(图中左侧)。KA、KB分别接电感L301和L302，电感L301并接电容C311和C312的一端，并连接电阻R317的一端，R317的另一端分别连接电阻R318和电容C313，电阻R318的另一端连接至第一运算放大器U301A(LM2904DR)的负输入端、电阻R324以及电容C316，电阻R324以及电容C316彼此并联，并联的连接点连接至第一运算放大器U301A的输出端。

电感L302并接电容C311和C312的另一端，并连接电阻R319的一端，R316的另一端连接至第一运算放大器U301A的正输入端并连接至电阻R325以及电容C319的一端，电阻R325和电容C319彼此并联，并且另一端接地。第一运算放大器由正负5V的电压供电。

第一运算放大器的输出端连接至电阻R333的一端，电阻R333的另一端连接至第二运算放大器U301B(型号为LM2904DR)的正输入端，并且经由电阻R334连接至+2.5V电压，并经由电阻R337接地。第二运算放大器U301B的负输入端经由电阻R332接地，并连接至电阻R338的一端，电阻R338的另一端连接至第二运算放大器U301B的输出端。

第二运算放大器U301B的输出端又连接至电阻R339的一端，电阻R339的另一端连接至电容C328、反向二极管D321(采用MMSZ5227)，并作为保护电路的输出。

该电路为差分+同向求和运算电路，由于KA、KB总线上的电压为正负交互电压，所以先采用差分运算电路计算出两条总线上输入的相对电压Va，Va＝(R324/(R317+R318))*(VkA-VkB)，该电压Va与基准电压求和最终得到所需值Vb，Vb＝(Rp/Rn)*R338*((Va/R333)+(V2.5/R334))，其中Rp＝R333//R334//R337,Rn＝R332//R338。由于KA、KB总线上的电压范围为已知值，当均衡关闭时，该电路采集值Vb为一固定值(即电压基准运算后的值)，因此可以根据Vb值的变化，即将Vb值与一阈值进行比较就可以判断节点继电器的接法是否正确，是否可以开启均衡，避免均衡继电器误操作导致电池短路。该保护电路在均衡电路中起到闭环作用。

本发明的均衡设备可以整合到电池管理系统中，由电池管理系统中的MCU进行流程控制。

本发明的设备和方法在使用时通过节点继电器组将需要均衡的电池接入均衡总线。通过均衡总线，在放电时为最差电池单体充电，在充电时为最差电池单体放电，以达到电量均衡。

相比之下，现有技术大多采用在充电时对单体电池放电，以为电池组充入更多的电量，但这种方式不能解决电池组中个电池容量产生偏差时对总容量释放的影响。由于本发明可以在放电时为电池单体充电，可以克服电池组的短板效应。由于本发明采用总线制均衡，在充电时对最差单体放电时只需要一个放电电阻，可以将放电电阻的体积与功耗增加，以加快均衡速度。因此，本发明的设备能够更好地提高电池的使用效率。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于电池组的充放电均衡设备，其特征在于，所述充放电均衡设备包括：均衡电源模块、均衡总线、均衡电阻、继电器组、保护电路，

所述电池组为串联电池组，所述串联电池组的总正、负极分别连接到所述均衡电源模块的两个输入端；

所述充放电均衡设备包括最差电池识别模块，所述最差电池识别模块基于每节电池上的电压变化判断所述电池组中的最差电池，所述均衡总线包括第一均衡总线和第二均衡总线，通过所述均衡总线，在放电时为最差电池单体充电，在充电时为最差电池单体放电，以达到电量均衡；

所述继电器组包括节点继电器和奇偶继电器，所述电池组中每节电池的两端各连接一个节点继电器，任意相邻的两节电池之间共用一个节点继电器，奇数的节点继电器连接至第一均衡总线，偶数的节点继电器连接至第二均衡总线；

所述均衡电源模块的正、负输出端分别连接所述奇偶继电器的两个固定端，所述奇偶继电器的两个活动端可以顺序与所述第一均衡总线、所述第二均衡总线相连，或者顺序与所述第二均衡总线、第一均衡总线相连；

所述第一均衡总线和所述第二均衡总线之间还连接有所述均衡电阻，所述均衡电阻与所述第一或第二均衡总线之间设置有放电均衡开关；

所述均衡电源与所述电池组的总正负极之间设置有充电均衡开关；

所述保护电路分别连接所述奇偶继电器的两个固定端，并且基于所述奇偶继电器的两个固定端的电压控制所述充电均衡开关的开闭，

所述保护电路包括差分电路和同向求和电路，所述差分运算电路计算出两条总线上输入的相对电压Va，同向求和电路将该电压Va与基准电压求和最终得到所需值Vb，根据Vb值的变化确定是否开启均衡电路。

2.根据权利要求1所述的充放电均衡设备，其特征在于，所述保护电路用于为所述均衡总线提供反馈，以判定被均衡电池是否正确接入均衡总线。

3.根据权利要求1所述的充放电均衡设备，其特征在于，所述保护电路包括：第一运算放大器和第二运算放大器。

4.根据权利要求2所述的充放电均衡设备，其特征在于，所述充放电均衡设备将所述保护电路的输出与预定阈值进行比较，以判断所述被均衡电池是否正确接入均衡总线。

5.一种利用权利要求1-4中任意一项所述的充放电均衡设备进行电池组充放电均衡的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)识别所述电池组中的最差电池单体或接收最差电池单体的信息；

(2)将所述最差电池单体接入均衡总线；

(3)利用所述保护电路判断所述最差电池单体是否正确接入均衡总线；

(4)如果所述最差电池单体没有正确接入均衡总线，则停止对所述电池组进行均衡控制并发出报警；

(5)如果所述最差电池单体正确接入均衡总线，则判断当前所述电池组是在进行充电操作还是进行放电操作；

(6)如果所述电池组进行充电操作，则将所述最差电池单体经所述均衡总线连接至所述放电电阻；

(7)如果所述电池组进行放电操作，则将所述最差电池单体经所述均衡总线连接至所述均衡电源。